Используя физическую модель, определить зависимость ... тела человека от параметров электрической ... Лабораторная работа №1.

Лабораторная работа №1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Цель работы
Используя физическую модель, определить зависимость сопротивления
тела человека от параметров электрической цепи (напряжение, род и частота
тока) и определить параметры элементов его эквивалентной схемы.
Содержание работы
1. Определить значения пороговых ощутимых токов - переменного с частотой 50 Гц, постоянного и выпрямленных - однополупериодного и двухполупериодного.
2. Определить зависимость сопротивления тела человека от частоты приложенного напряжения
3. Определить зависимость сопротивления тела человека от значения приложенного напряжения
4. Определить значения параметров эквивалентной схемы, сопротивления
тела человека, используя результаты экспериментов.
Действие электрического тока на организм человека
Степень отрицательного воздействия электрического тока на организм человека зависит от значения тока, протекающего через него, длительности его
воздействия, пути прохождения в теле человека и некоторых других факторов.
Сопротивление тела человека и значение приложенного к нему напряжения также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они
определяют значения тока, проходящего через тело человека.
Таблица 1
Ток, мА
Характер воздействия
2-3
переменный ток 50-60 Гц
постоянный ток
2
3
Начало ощущения, легкое дро- Не ощущается
жание пальцев рук
Сильное дрожание пальцев рук Не ощущается
5-7
Начало судорог в руках
8-10
Руки трудно, но еще можно Усиление нагрева.
оторвать от электродов.
Сильные боли.
1
0,6-1,5
Зуд, ощущение нагрева
3
1
2
20-25 Паралич рук. Дыхание затруднено.
50-80 Паралич дыхания. Начало трепетания желудочков сердца.
3
Еще большее усиление нагрева. Незначительное сокращение мышц рук.
Сильное ощущение нагрева. Сокращение мышц рук. Судороги, затруднение дыхания.
90-100 Фибрилляция сердца. При дли- Паралич дыхания.
тельности 3с и более – паралич
сердца.
Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него тока при
значениях 0,6 - 1,5 мА при переменном токе с частотой 50 Гц и 5 - 7 мА при
постоянном токе (табл. 1). Эти значения являются границами или порогами, с
которых начинаются области ощутимых токов, и носят название пороговых
ощутимых токов. Выпрямленные токи одно- и двух – полупериодные по порогам ощутимого тока занимают промежуточное значение между переменным и
постоянным токами.
Ток, вызывающий при прохождении через тело человека непреодолимые
судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник, называется
неотпускающим током, а наименьшее его значение пороговым неотпускающим током. Значения пороговых неотпускающих токов у различных людей
различны. Они различны также у мужчин и женщин.
Средние их значения составляют: для мужчин 16 мА при 50 Гц и 80 мА
при постоянном токе, для женщин (соответственно) - 11 и 50 мА.
Ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца,
называется фибрилляционным током, а наименьшее его значение пороговым
фибрилляционным током. Фибрилляция сердца заключается в беспорядочном
сокращении и расслаблении мышечных волокон сердца. Сердце затрачивает
значительную энергию, и не производит полезной работы, кровообращение
прекращается. Пороговый фибриляционный ток зависит от многих факторов, в
том числе от массы тела человека и колеблется в пределах 50 - 400 мА (при 50
Гц). Среднее его значение принято считать равным 100 мА при 50 Гц и 300 мА
при постоянном токе.
Поскольку человек при меньшей продолжительности воздействия может
выдержать больший ток, то ГОСТом 12.1.038-82 (с изменениями от 01.07.88)
установлены предельно допустимые значения напряжений прикосновения и
токов, протекающих через человека в зависимости от времени воздействия.
Значения пороговых токов являются исходными данными для разработки критериев электробезопасности в первую очередь - допустимых значений напряжений прикосновения и токов, проходящих через тело человека. Значения
напряжений прикосновения и токов частотой 50 Гц при аварийном режиме
производственных электроустановок до 1000 В с любым режимом нейтрали и
выше 1000 В с изолированной нейтралью приведены в табл. 2.
4
ПродолжиНормируемая величина
тельность
воздейнапряжение
ток,
ствия тока, с прикосновения,
мА
В
0,01-0,08
550
650
0,1
340
400
0,2
160
190
0,3
135
160
0,4
120
140
0,5
105
125
Таблица 2
Нормируемая величина
Продолжительность
воздейнапряжение
ствия тока, с прикосновения,
В
0,6
95
0,7
85
0,8
75
0,9
70
1,0
60
более 1,0
20
ток,
мА
105
90
75
65
50
6
При прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, человек включается в электрическую цепь и может рассматриваться как
элемент этой цепи. Сопротивление тела человека - величина нелинейная, колеблющаяся в широких пределах и зависящая от ряда факторов: состояния кожи (сухая, влажная, чистая и т.п.); площади и плотности контактов; значения
силы тока, протекающего через человека; значения приложенного напряжения;
рода и частоты тока и продолжительности его воздействия. Значение сопротивления тела человека требуется знать при разработке защитных мер от поражения электрическим током, анализе условий электробезопасности, а также
расследований несчастных случаев.
Разные ткани по разному проводят ток: одни лучше, другие хуже.
Наибольшее сопротивление электрическому току оказывает кожа. Другие ткани, в том числе мышечная и жировая, спинной и головной мозг, а также кровь
имеют по сравнению с кожей весьма малое сопротивление.
Кожа состоит из двух основных слоев: наружного - эпидермиса, обладающего большим сопротивлением, и внутреннего - дермы, имеющего относительно малое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению внутренних
подкожных тканей тела. Сопротивление тела человека, т.е. сопротивление
между двумя электродами, наложенными на поверхность тела (рис. 1а), условно можно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений Zн, Rв, Zн (рис.1б). Два одинаковых сопротивления Zн наружного слоя
кожи - эпидермиса называются наружным сопротивлением тела человека. Сопротивление Rв внутренних тканей тела называется внутренним сопротивлением и состоит из сопротивления внутреннего слоя кожи - дермы и сопротивления подкожных тканей тела.
Сопротивление каждого наружного слоя кожи состоит из двух параллельно включенных сопротивлений: активного Rн, кОм, и емкостного, которое обусловлено тем, что в месте прикосновения токоведущей части (электрода) к телу
человека образуется структура, эквивалентная конденсатору с некоторой
емкостью Сн, мкФ (рис.1б).
5
Рис.1 К определению сопротивления тела человека: а) схема измерения сопротивления, б) эквивалентная
схема сопротивления тела человека, в) упрощенная схема;
1 - электроды, 2 - наружный слой кожи (эпидермис),
3 - внутренние ткани тела (включая нижний слой кожи дерму), Rн - активное сопротивление наружнего слоя, Сн емкость образовавшегося конденсатора, Rв - сопротивление внутренних тканей, Rh – активное сопротивление тела,
Сh - емкость тела человека.
Zh = 2Zн + Rв =
2
1
 jω Сн
Rн
Обкладками этого
конденсатора являются
электрод и хорошо проводящие ток ткани тела
человека, лежащие под
наружным слоем кожи,
а диэлектриком, разделяющим обкладки, является слой эпидермиса.
Полное сопротивление тела человека в
комплексной форме Zh,
кОм, в соответствии с
эквивалентной схемой,
показанной на рис.1б,
выражается следующей
зависимостью:
 Rв
(1.1)
а в действительной форме
Zh 
4 Rн(Rн  Rв )
 Rв2
2 2 2
1  ω Rн C н
(1.2)
Здесь Zн - полное сопротивление наружного слоя кожи в комплексной форме,
Ом;  =2f - угловая частота, 1/с; f - частота тока, Гц.
Из выражений (1.1) и (1.2) видно, что с уменьшением частоты сопротивление тела человека возрастает и при f = 0, т.е. при постоянном токе, сопротивление тела человека имеет наибольшее значение и оказывается равным сумме
активных сопротивлений обоих слоев эпидермиса и внутренних тканей тела:
Zh = 2 Rн + Rв = Rho
(1.3)
где Rho - сопротивление тела человека постоянному току, кОм.
С ростом частоты Zh уменьшается (за счет уменьшения емкостного сопротивления) и при f = 2,5 - 5 кГц ненамного отличается от внутреннего сопротивления Rв, а при 10 кГц можно считать, что наружный слой кожи практически утрачивает сопротивление электрическому току, и, следовательно,
Zh = Rв
(1.4)
6
Эквивалентную схему (рис. 1.1б) можно упростить, представив сопротивление тела человека как параллельное соединение Rh = 2 Rн + Rв и емкости
Ch = 0,5Cн, которые назовем соответственно активным сопротивлением и емкостью тела человека (рис.1.1в). В этом случае выражение полного сопротивления тела человека в действительной форме будет, Ом,
Zh =
Rh
1  ω 2 Rh2 C h2
(1.5)
Из этого выражения можно определить значение Cн, мкФ,
Cн  2Сh =
Z h2  Rh2
πfRh Z h
(1.6)
Повышение напряжения, приложенного к телу человека, сопровождается
уменьшением полного сопротивления тела человека Zh, которое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления внутренних тканей тела
Rв. Уменьшение Zh происходит в основном за счет уменьшения сопротивления
кожи, что в свою очередь объясняется влиянием ряда факторов, в том числе ростом тока, проходящего через кожу, пробоем наружного слоя кожи и др.
Применяемое оборудование
Работа выполняется на стенде, лицевая панель которого изображена на
рис.2. Включение стенда осуществляется выключателем "Сеть". Перед включением ручка потенциометра "Регулировка выходного напряжения" должна
Рис.2 Схема лицевой панели стенда
7
находиться в крайнем левом положении. О готовности стенда к работе свидетельствует загорание сигнальной лампы после включения стенда. В соответствии с заданием режим работы стенда устанавливается нажатием соответствующей кнопки на переключателе "Режим измерения". Род и частота переменного тока устанавливаются нажатием соответствующих кнопок в блоках
"Выбор рода тока" и "Частота", а напряжение, приложенное к телу человека, и
ток, проходящий через человека по пути рука-рука, измеряются соответственно
вольтметром и миллиамперметром, размещенными на лицевой панели стенда.
В зависимости от значения протекающего тока предел измерения миллиамперметра может быть изменен с помощью переключателя "Предел измерения прибора, мА".
По окончании работы стенд отключается выключателем "Сеть".
Указания по технике безопасности
1. Запрещается включать стенд без предварительной проверки собранной схемы преподавателем или лаборантом.
2. Запрещается собирать и разбирать заданную схему при включенном электропитании.
3. При обнаружении неисправностей в работе стенда следует немедленно прекратить работу, отключить стенд от сети и сообщить об этом преподавателю.
Порядок выполнения работы
1. Определение пороговых ощутимых токов.
После включения стенда установить переключатели - "Режим измерения"
в положение "Измерение порога", "Выбор рода тока" в положение " "  " и Частота " в положение " 0,05 кГц".
Плавным поворотом ручки потенциометра "Регулировка выходного
напряжения" увеличить напряжение, приложенное к телу человека, и, тем самым, увеличить ток, протекающий через человека по пути рука-рука. В момент
загорания транспаранта "Порог ощущения" зафиксировать значение Ih по миллиамперметру. Установив кнопочный переключатель "Выбор рода тока" в соответствующее положение, аналогичным образом определить значения постоянного и выпрямленного пороговых ощутимых токов. При этом переключатель
"Частота" должен быть установлен в положении "0,05 кГц", так как выпрямительный блок работает на этой частоте.
Измеренные значения пороговых ощутимых токов занести в табл.3
2. Определение зависимости сопротивления тела человека от частоты
приложенного напряжения Zh(f).
Установить переключатели - "Режим измерения" в положение " "Rf" Выбор рода тока" в положение "". Изменяя частоту тока от 0,01 до 10 кГц с помощью переключателя "Частота" записывать показания вольтметра (напряжение Uh, приложенное к телу человека) при каждом значении частоты. При этом,
8
воздействуя на ручку потенциометра " Регулировка выходного напряжения",
поддерживать в течение всего опыта постоянное значение тока, протекающего
через тело человека Ih, равное 4мА.
Измеренные значения Uh и вычисленной величины Zh = Uh / Ih для каждой
точки замера заносятся в табл.4.
3. Определение зависимости сопротивления тела человека от значения
приложенного напряжения при частоте 50 Гц, т.е. зависимости Zh(Uh).
Установить переключатель "Режим измерения" в положение " Rh(U). ", а
переключатель "Частота" - в положение "0,05кГц". Измеряя напряжение с помощью потенциометра "Регулировка выходного напряжения" от 1 до 50 В, записывать показания миллиамперметра, т.е. значения тока Ih, протекающего через тело человека. Вычислить значения Zh = Uh / Ih для каждой точки замера и
внести их в табл.5.
4. Определение параметров эквивалентной схемы сопротивления тела человека Rв, Rн, Сн производить в следующем порядке:
а) сопротивление внутренних тканей Rв определить по выражению (1.4),
для чего из табл. 3 взять значение Zh, соответствующее частоте тока f = 10кГц;
б) активное сопротивление наружного слоя кожи Rн определить экспериментально. Для этого включить стенд, переключатель "Выбор рода тока" установить в положение " = ", переключатель "Частота" - в положение "0,05 кГц",
переключатель "Режим измерения" - в положение "Измерение порога" и при
Ih =2 мА записать значение Uh. Вычислить Rho, зная значение Rв, по выражению
(1.3) вычислить Rн;
в) ёмкость Cн определить для двух значений частоты 50 и 500 Гц или для
других, указанных преподавателем значений, по выражению (1.6). В выражение 1.6 подставить значения Zh взятые из табл.3, а значение Rh принять равным
Rho.
Полученные результаты сводятся в табл.6.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Принципиальную схему включения человека в цепь электрического тока.
2. Измеренные значения пороговых ощутимых токов (табл.3).
9

Род тока, проходящего через человека
Измеренные значение порогового
ощутимого тока, мА
Составляющие
_
=
Таблица 3.

3. Измеренные и вычисленные значения Uh и Zh, необходимые для определения зависимости сопротивления тела человека от частоты тока, протекающего через него, сведенные в табл.4, и график Zh(f), построенный в полулогарифмическом масштабе.
Частота тока, кГц 0,01
lg f
1,0
Напряжение Uh,В
при Ih = 4мА
Сопротивление тела
человека Zh, кОм
0,025
1,4
0,05
1,7
0,1
2,0
0,25
2,4
0,5
2,7
1
3,0
Таблица 4.
5
10
3,4 4,0
4. Измеренные и вычисленные значения Uh, Ih, Zh, необходимые для определения зависимости сопротивления тела человека от значения приложенного
напряжения, сведенные в табл.5 и график Zh(Uh) .
Таблица 5.
Uh, В
2
5
10
15
20
23
26
30
32
35
45
Ih, мА
Zh, кОм
5. Эквивалентную схему сопротивления тела человека, основные расчетные выражения и результаты расчета параметров этой схемы для двух значений частоты тока (табл.6).
Таблица 6.
Rв,
кОм
Rн,
кОм
Rho,
кОм
f = 50 Гц
Zh, кОм
Сн, мкФ
f = 500 Гц
Zh, кОм Сн, мкФ
6. Выводы о влиянии рода, частоты тока и значения напряжения, приложенного к телу человека на его сопротивление.
10
Контрольные вопросы
1. Какие факторы определяют степень отрицательного воздействия электрического тока на организм человека?
2. Назовите значения пороговых ощутимых и пороговых неотпускающих
токов: переменного (f =50Гц) и постоянного.
3. Какой ток называют фибрилляционным и каково его пороговое значение?
4. Какие факторы влияют на значение электрического сопротивления тела
человека?
5. Составьте эквивалентную схему сопротивления тела человека и поясните физическую сущность элементов, входящих в эту схему.
6. Как можно представить эквивалентную схему сопротивления тела человека постоянному току?
7. Как изменяется сопротивление тела человека с изменением частоты
приложенного напряжения? Назовите причину этого изменения.
8. Как изменяется сопротивление тела человека при изменении значения
приложенного напряжения? Почему эта зависимость имеет нелинейный характер?
9. Как определяются параметры элементов эквивалентной схемы электрического сопротивления тела человека?
Литература
Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Знак,
2000. Глава 1, стр. 5-48.
11